電感和電感器

電感（inductor）是一個繞在磁性材料上的導(dǎo)線線圈（coil），電感通以電流時產(chǎn)生磁場（magnetic field），磁場很懶，不喜歡變化，結(jié)果呢，電感就成為阻礙其電流（current）變化的元件。如果流過電感的電流恒定，電感就很高興，不用對電子流出任何力（force），此時的電感線圈就是普通導(dǎo)線。 如果我們想中斷電感中的電流，電感就會出力（電動勢，EMF），試圖維持其中電流。如果電感自身構(gòu)成回路，電路中又沒有電阻（resistance），那么理論上，電子流永遠(yuǎn)在循環(huán)流動。但是，除非我們采用超導(dǎo)體，否則所有的導(dǎo)線都對電流有阻礙作用，最終電感電流將衰減（decay）為零，且電阻越大，衰減越快。不過，感抗（inductance）越大，衰減則越慢。如圖1所示。

圖1 中斷電感電流時儲存的能量釋放

一旦電流變?yōu)榱悖捎陔姼锌偸窃噲D阻礙電流變化，此時它又想維持電路電流為零。所以，當(dāng)我們把電感接入電路中時，電感馬上出力，試圖阻礙電流增加，但是電流還是慢慢在增加。電感感抗越大，電流增大的速度越慢。當(dāng)電流不再增加而到達(dá)穩(wěn)態(tài)值后，電感又樂不可支了，不用再出力了！如圖2所示。

圖2 電感電路ON

當(dāng)我們切斷電感中的電流時，電感又出力想維持穩(wěn)態(tài)電流值。福利：在電子發(fā)燒友網(wǎng)公眾號回復(fù)資料，免費(fèi)領(lǐng)取一份模電資料集如果此時電感與一個電阻相連，則電阻兩端的電壓是其電阻值與電流的乘積。由于電感最大的本事就是阻止電流的突變，因此，不管電阻值是多少，在電路被切斷后的瞬間，電感中的電流與切斷前是一樣的。如果電阻值很大，則電流與電阻的乘積也非常大，結(jié)果，電感上會產(chǎn)生瞬時的高電壓。如圖3所示。

圖3 電感電路OFF

由于電感中的電流不能突變，如果要切斷電感電路，我們總是需要提供電感電流釋放回路。假如沒有提供釋放回路，電感電流就會自尋通道，比如，通過空氣釋放，通過開關(guān)觸點(diǎn)或者其他不應(yīng)導(dǎo)電的元件釋放。短時間的高電壓將對電路產(chǎn)生極大的破壞。

電感器能夠產(chǎn)生高電壓的能力在電源設(shè)計時非常有用，但也意味著，在沒有準(zhǔn)備好釋放通路時不可以隨便切斷電感電路。續(xù)流二極管從圖中可以看出斷電時EMF產(chǎn)生的瞬時高壓（數(shù)倍甚至數(shù)十倍于電源電壓）如果無處釋放，會對電路的其他元件造成損害，而如果提供釋放回路，又怎么能適時接通呢？即電感電路接通時，釋放回路不通，而電感電路斷開時釋放回路就接通。如圖4所示。

圖4 釋放回路接通的時機(jī)

電阻是雙向?qū)щ姷?，而二極管就具有單向?qū)щ娞匦?。因此我們采用如圖5所示的電路，圖中并聯(lián)在電感兩端的二極管稱為續(xù)流二極管（flyback diode或flywheel diode）。

圖5 續(xù)流二極管電路

續(xù)流二極管的作用續(xù)流二極管通常和儲能元件一起使用，其作用是防止電路中電壓電流的突變，為反向電動勢提供耗電通路。電感線圈可以經(jīng)過它給負(fù)載提供持續(xù)的電流，以免負(fù)載電流突變，起到平滑電流的作用！在開關(guān)電源中，就能見到一個由二極管和電阻串連起來構(gòu)成的的續(xù)流電路。這個電路與變壓器原邊并聯(lián)。當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時，續(xù)流電路可以釋放掉變壓器線圈中儲存的能量。

續(xù)流二極管工作原理圖

BUCK電路中續(xù)流二極管的選擇

BUCK電路圖

BUCK電路中一般選擇快速恢復(fù)二極管或者肖特基二極管來作為"續(xù)流二極管"，它在電路中一般用來保護(hù)元件不被感應(yīng)電壓擊穿或燒壞，以并聯(lián)的方式接到產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的元件兩端，并與其形成回路，使其產(chǎn)生的高電動勢在回路以續(xù)電流方式消耗，從而起到保護(hù)電路中的元件不被損壞的作用。理論上二極管選用至少2倍于最大電流，實(shí)際使用時，由于二極管的瞬間抗過載能力較強(qiáng)，使用最大電流50A的超快速二極管也行，加上合理的散熱片，實(shí)際使用中一般少有損壞。導(dǎo)通時的總阻抗是電機(jī)內(nèi)阻+驅(qū)動管等效內(nèi)阻。續(xù)流時的總阻抗是電機(jī)內(nèi)阻+續(xù)流二極管等效內(nèi)阻。一般情況下，由于續(xù)流二極管的交流等效內(nèi)阻要比驅(qū)動三極管的交流等效內(nèi)阻小。所以常規(guī)設(shè)計，一般續(xù)流二極管的最大電流，取二倍于電機(jī)最大電流。 瞬態(tài)電流只是一瞬間，面接觸型二極管的抗過載能力還是可以的，只要不過壓即可，必要時串個小阻值電阻進(jìn)行限流。續(xù)流二極管是為了保護(hù)開關(guān)器件，續(xù)流時的瞬態(tài)電流跟電機(jī)的工作電壓和繞組內(nèi)阻有關(guān)，跟電機(jī)功率無關(guān)，真要計算的話，瞬態(tài)電流的峰值是反向自感電壓減去二極管結(jié)壓降再除以回路電阻。

這里之所以還要用一定電流以上的二極管是因?yàn)榈蛪捍蠊β孰姍C(jī)的繞組內(nèi)阻較低，所以瞬態(tài)電流會比較大，串個小阻值電阻就可以抑制峰值電流，因此造成的開關(guān)管瞬態(tài)加壓的些許上升因?yàn)楣ぷ麟妷罕緛砭筒桓?，所以根本不必?fù)?dān)心，現(xiàn)在的晶體管耐壓至少都在50V以上。

繼電器續(xù)流二極管的選擇

繼電器并聯(lián)的二極管，不是什么BUCK電路中的續(xù)流二極管，由于繼電器線圈的是感性負(fù)載，作用是吸收驅(qū)動三極管在斷開時繼電器線圈的自感電壓，根據(jù)楞次定律，電感上的電流在減小時，會產(chǎn)生一個自感電壓，這個電壓的方向是正電源端為負(fù)，驅(qū)動管集電極為正，這個電壓會擊穿三極管，所以在繼電器上并聯(lián)一個吸收二極管，吸收這個自感電壓。第一，電路ms級以下時間參數(shù)對機(jī)械觸點(diǎn)影響給予忽略

第二，即便是1N4000反向恢復(fù)時間也遠(yuǎn)低于ms，正向?qū)〞r間更小

第三，驅(qū)動管極間電容，繼電器寄生電容足以使高速二極管無用武之地

第四，電感儲能的消耗主要依靠繞組電阻，一般處于過阻尼狀態(tài) 對于圖中的開關(guān)，我們經(jīng)常使用晶體管。如圖所示，用一個晶體管TR1去控制繼電器線圈（relay coil）的導(dǎo)通，繼電器觸點(diǎn)再去控制負(fù)載電路。

繼電器線圈的續(xù)流電路

二極管負(fù)極接直流電源正極，繼電器線圈斷電時，二極管因勢利導(dǎo)，為線圈高電壓提供釋放途徑。如果沒有續(xù)流二極管，晶體管斷開時在線圈兩端產(chǎn)生的高電壓將對晶體管電路造成極大的損壞，此時續(xù)流二極管起到了保護(hù)作用。 為此，經(jīng)常將二極管直接和繼電器做在一起，如圖所示。

觸點(diǎn)的保護(hù)電路一般感性負(fù)載比電阻性負(fù)載更容易使觸點(diǎn)受到損壞，如果使用適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)電路可以使感性負(fù)載對觸點(diǎn)的影響與電阻性負(fù)載基本相當(dāng)，但請注意如果不正確使用，可能會產(chǎn)生反效果。

下表是觸點(diǎn)保護(hù)電路的代表性例子。

注意請避免下表中所列的觸點(diǎn)保護(hù)電路。

續(xù)流二極管的電路

續(xù)流二極管應(yīng)該加到感性負(fù)載的兩端，這里說的感性，就是具有電感特性，而不是性感。感性負(fù)載的特性就是電流不能突變，也就是說，不可能一下子就沒了，也不可能一下子就有了，需要有個過程。

常見的感性負(fù)載有繼電器線圈、電磁閥。為什么要加續(xù)流二極管感性負(fù)載會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，感應(yīng)電動勢的方向和加在它兩端的電壓方向是相反的，當(dāng)感性負(fù)載突然斷電，感應(yīng)電動勢還在，由于感應(yīng)電動勢與原來的電壓方向相反，在沒有斷電的時候，還有原來的電壓與之抵消，斷電后就沒有與感應(yīng)電動勢抵消的電壓了，這個感應(yīng)電動勢就有可能造成電路中的元器件損壞，加個二極管以后，這個二極管正好與感性負(fù)載形成了一個閉合回路，回路中的電流方向正好和二極管是正向?qū)ǖ模涂梢葬尫鸥袘?yīng)電動勢的電流了。

可以作為續(xù)流二極管的型號普通二極管如1N4007就可以作為續(xù)流二極管，不過，最好是用快速恢復(fù)二極管或者肖特基二極管。快速恢復(fù)二極管可以用：FR107、1N4148肖特基二極管可以用：1N5819看二極管datasheet的什么參數(shù)二極管的耐壓，就是反向能加多大電壓，你可以看到，續(xù)流二極管在電路中是反向連接的。比如你的電路中，線圈加的是12V，那么你的二極管方向耐壓值就必須要大于12V才行。不過一般的二極管反向耐壓值都非常高。二極管的最大正向?qū)娏鳎热?N4148最大正向?qū)娏魇?50mA，那么如果你的線圈電流太大，就會燒壞續(xù)流二極管。所以1N4148只適合小電流的線圈保護(hù)，比如5V的繼電器。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)凡是電路中的繼電器線圈兩端和電磁閥接口兩端都要接續(xù)流二極管。接法如上面的圖，二極管的負(fù)極接線圈的正極，二極管的正極接線圈的負(fù)極。不過，你要清楚，續(xù)流二極管并不是利用二極管的反方向耐壓特性，而是利用二極管的單方向正向?qū)ㄌ匦浴?/span>如果懶得看二極管的datasheet參數(shù)，就用FR107吧，通吃一般應(yīng)用。

實(shí)踐示例：